赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响

陈旭飞,张 池,*,戴 军,郭彦彪,刘 婷, 2

(1. 华南农业大学资源环境学院/农业部华南耕地保育重点实验室, 广州 510642； 2. 广东省生态环境与土壤研究所, 广州 510650)

赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响

陈旭飞1,张 池1,*,戴 军1,郭彦彪1,刘 婷1, 2

(1. 华南农业大学资源环境学院/农业部华南耕地保育重点实验室, 广州 510642； 2. 广东省生态环境与土壤研究所, 广州 510650)

将赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)和毛利远盲蚓(Amynthasmorrisi)接种于混合15%造纸污泥的旱地土和水稻土中,研究不同蚯蚓对不同混合污泥土壤的化学和生物学性状的作用。主成分分析结果显示蚯蚓对混合污泥土壤化学和生物学性质影响与土壤类型和蚯蚓种间差异密切相关(P<0.05)。方差分析结果显示：(1)在混合污泥旱地土处理中,与对照相比,E.foetida处理的混合污泥土壤pH和Eh分别显著降低了0.22和13个单位(P<0.05),有机碳和微生物量碳含量,以及过氧化氢酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别降低了22.8%、43.8%、12.4%、48.4%、44.0%和40.7%(P<0.05),而荧光素二乙酸酯酶活性增加了57.4%(P<0.05)；A.morrisi处理的混合污泥土壤碱解氮含量、过氧化氢酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和脲酶活性分别明显下降了16.5%,12.4%、33.9%和45.5%(P<0.05)。另外,两种蚯蚓相比较,E.foetida活动后混合污泥旱地土壤pH和Eh值、有机碳含量和碳氮比分别比A.morrisi活动后土壤降低0.17和10个单位、24.9%和2.26个单位,而代谢熵和荧光素二乙酸酯酶活性显著增高(P<0.05)。(2)在混合污泥水稻土处理中,与对照相比,E.foetida处理的混合土壤有机碳含量和碳氮比显著提高20.9%和1.02个单位(P<0.05),全钾含量和呼吸速率明显降低6.11%和33.8%(P<0.05)；而与对照相比,A.morrisi处理的混合土壤的速效钾含量和过氧化氢酶活性显著提高13.2%和10.8%(P<0.05),但β-葡萄糖苷酶和荧光素二乙酸酯酶活性分别下降46.7%和34.4%(P<0.05)。两种蚯蚓相比较,E.foetida处理后混合污泥水稻土的有机碳含量比A.morrisi处理显著增加了15.7%,碳氮比增加0.84个单位,速效钾、呼吸速率和过氧化氢酶活性减少11.4%、36.5% 和 5.51%(P<0.05)。综上所述,蚯蚓能显著影响混合造纸污泥土壤的化学和生物学特征。蚯蚓在高有机碳和低粘粒含量旱地土壤中活动,能够加速有机碳的分解和释放,降低与土壤有机质分解和养分转化相关的酶活性和微生物量,但增加微生物总体活性；而蚯蚓在低有机碳和高粘粒含量水稻土壤中活动,则能够有助于土壤有机碳储存,对养分和微生物活性的影响相对较小。与A.morrisi相比较,E.foetida对混合污泥旱地土有机碳的分解和释放、微生物活性的提高,以及混合污泥水稻土有机碳的储存等方面的能力均较强,而对混合污泥水稻土钾素转化能力相对较弱。由于造纸污泥具有高有机碳和低养分含量特征,因此污泥农用仍需考虑按一定比例配施高养分含量有机物料。同时,进一步根据土壤类型和选择适宜的蚯蚓品种进行较长期的小区和大田试验,将能够为污泥农用提供更多科学参考。

蚯蚓; 造纸污泥; 土壤; 化学和生物学性质

造纸污泥产量大、含水量高、成分复杂,处理难度大。常见的污泥焚烧和填埋等处置方法不仅带来巨大的资源浪费,也容易引起严重的环境污染。由于造纸污泥含有丰富的有机质、养分和微量元素[1- 3],而且其较低的重金属含量也不会导致污染风险[3- 4],因此造纸污泥作为一种良好的资源逐渐应用于农业生产。

近些年,国内外研究学者已通过蚯蚓对造纸污泥进行生物处理、生产优质有机肥[5- 9]。这些研究主要以赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)为研究对象,通过设置蚯蚓堆制处理,探讨其吞食污泥或污泥与其他有机废物的混合物形成的有机肥料的特征。由于造纸污泥能促进土壤良性结构形成[10- 11],降低土壤酸化和提供作物和微生物养分[12- 13]；而蚯蚓作为土壤中“生态工程师”,对土壤结构的形成、通气和透水性、有机物质的分解、养分转化以及微生物种群结构和活性的变化都有重要作用[14]。因此,将适宜种类蚯蚓和造纸污泥直接施用于土壤具有一定的可行性,但是目前很少研究将二者联合添加到自然土壤、观察蚯蚓对混合污泥土壤的作用。

本研究选取华南地区典型旱地土和水稻土,并分别混合15%造纸污泥、在短时间内接种赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)和毛利远盲蚓(Amynthasmorrisi)于土壤中,进行常规室内培养。通过研究蚯蚓活动后土壤有机碳、全量氮磷钾养分及其速效养分、微生物碳含量、土壤呼吸速率、微生物熵和代谢熵,过氧化氢酶、转化酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶、酸性和碱性磷酸酶以及荧光素二乙酸酯酶活性的变化,探讨不同蚯蚓对不同混合造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响,为进一步造纸污泥农用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)和毛利远盲蚓(Amynthasmorrisi),前者购自广州某养殖场,后者采自广州市郊区农田土壤。所有蚯蚓在实验室稳定培养一周后,挑选鲜重分别约0.3和0.5 g/条、具有成熟环的健壮赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓进行试验。

造纸污泥取自广州造纸集团有限公司无氯漂白污泥,两种供试土壤(旱地土和水稻土)采自广州郊区华南农业大学教学农场。污泥和土壤均在自然风干后,分别研磨过0.15mm和2 mm筛备用。过0.15mm筛的污泥和土壤样品主要用于分析土壤基本理化性状中总有机碳、全量氮磷钾和金属等指标。过2mm筛的污泥和土壤一部分用来分析样品pH、Eh、速效养分等样品的基本理化性状,另一部分则用于布置盆钵试验。

另外,造纸污泥、旱地土和水稻土的基本理化性状如表1所示。其中,污泥的金属铜、锌、铅、镉含量分别为45.1、152、29.7和2.83mg/kg,低于国家农用污泥污染物控制标准(GB 4284—84)中重金属的限制含量1000、200、1000和20 mg/kg(pH>6.5土壤)。

表1 供试造纸污泥和土壤的基本理化性质

1.2 研究方法

根据预试验结果,15%污泥添加入土壤较适宜蚯蚓生长。因此本研究试验共设置6个处理：(1)混合15%污泥的旱地土壤对照(简写为DL)；(2)混合15%污泥的旱地土壤+毛利远盲蚓(简写为DL+A)；(3)混合15%污泥的旱地土壤+赤子爱胜蚓(简写为DL+E)；(4)混合15%污泥的水稻土壤对照(简写为PS)；(5)混合15%污泥的水稻土壤+毛利远盲蚓(简写为PS+A)；(6)混合15%污泥的水稻土壤+赤子爱胜蚓(简写为PS+E)。每个处理5次重复。

称取过2 mm筛的造纸污泥(150g)和土壤(850g),将二者充分混匀,装于2 L的塑料盆中(盆高20 cm,底直径10 cm)。调节混合土壤水分至60%的饱和含水量。稳定24 h后,根据处理布置要求向每盆接种6 g蚯蚓,每3 d采用称重法调节土壤水分含量。整个培养试验持续时间为30 d,培养结束后将混合污泥土壤进行风干、过2 mm筛、备测。

1.3 土壤样品的测定方法

土壤pH和Eh值的测定用pH/Eh计电位法(水土比2.5∶1)；有机质、全量和速效氮磷钾养分以及重金属全量测定采用土壤农化常规分析法[15]；土壤溶解性碳的测定采用K2SO4浸提,重铬酸钾消化法测定[16]。

土壤过氧化氢酶采用KMnO4容量法测定,酶活性以每克土壤消耗的KMnO4(0.02 mol/L)毫升数表示；脲酶采用苯酚钠比色法,在578 nm波长处比色测定,酶活性以37℃恒温培养24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示(NH3-N mg/g土壤, 37℃, 24 h)。转化酶采用滴定法测定,酶活性以37℃恒温培养24 h后1 g土壤消耗的Na2S2O3(0.1 mol/L)毫升数表示[22]。另外,酸性和碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和荧光素二乙酸酯酶均利用各自酶促反应试剂、采用比色法进行测定[23- 24]：称取2 g样品调至60%田间持水量并稳定48 h,加入3 ml蒸馏水混匀,获得样品溶液。酸性和碱性磷酸酶测定采用对硝基苯酚磷酸盐为酶底物,pH 5柠檬酸盐(酸性磷酸酶)或pH 9硼酸盐(碱性磷酸酶)为缓冲液,测定在标准环境下单位土壤每小时释放对硝基苯酚的量(μg pNP g-1soil h-1)。β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶,则分别使用β-葡萄糖苷-苯二酚和N-乙酰-氨基葡萄糖苷-苯二酚作为酶底物,以及磷酸缓冲液 (pH 5)测定对硝基苯酚的释放量(μg pNP g-1土壤 h-1)。荧光素二乙酸酯酶(FDA)利用磷酸缓冲液(pH 7.0)、在波长490 nm 处比色、测定荧光素的量,其酶活性单位为单位土壤每小时产生荧光素的量(μg 荧光素-1h-1)。

1.4 数据分析方法

试验数据均采用平均值±标准差,并利用SAS 统计软件(SAS 8.0 Software,SAS Institute Inc.)和R(ADE- 4)多元数据分析软件[25- 26]进行分析。其中,T 检验、方差分析和多重比较(DMRT)用于比较培养前后蚯蚓数量和生物量变化以及不同处理间土壤各化学和生物学指标的差异,显著性水平用P=0.05 表示。主成分分析通过在R中导入ADE- 4软件包,将各处理中相互关联的多个变量合成少数独立而又能反映总体信息的指标,并应用置换检验比较不同处理间土壤化学和生物性质综合特征的差异；多元数据分析结果利用二维空间载荷图和得分图直观而形象的进行反映,处理间的差异显著性水平用P=0.05表示。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓生长状况

如表2所示,在混合污泥的旱地土和水稻土中,蚯蚓接种30 d后,A.morrisi数量分别减少1.67%(P>0.05)和11.7%(P<0.05),E.foetida数量则分别显著增加19.0%和15.0%(P<0.05)。另外,在接种30 d后,在混合污泥的旱地土壤中A.morrisi和E.foetida生物量均显著增加(P<0.05)；而在混合污泥的水稻土壤中则情况相反,两种蚯蚓生物量均呈下降趋势,特别是A.morrisi生物量下降达到显著水平(P<0.05)。

2.2 蚯蚓活动后土壤化学和生物学性质分析

各处理土壤性质的主成分分析结果如图1所示,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累计方差贡献率达到59.4%。主成分载荷图显示：第一主成分(PC1)的方差贡献率为46.3%,其分别与大多数碳氮磷钾养分含量、呼吸速率、微生物熵、过氧化氢酶、脲酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、荧光素二乙酸酯酶活性密切相关。第二主成分的方差贡献率为13.1%,其主要与微生物量碳、碱性磷酸酶、转化酶、脲酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶活性有关。主成分得分图显示：各处理之间的差异达到极显著水平(P<0.001)。两种土壤的化学和生物学综合性质差异主要体现在第一主成分相关指标上：PS土壤具有较高的Eh值、全磷、全钾和碱解氮含量、呼吸速率、微生物熵、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性,而DL土壤则具有较高pH值、丰富的有机碳、全氮、速效钾含量、碳氮比、β-葡萄糖苷酶、荧光素二乙酸酯酶和脲酶活性。另外,蚯蚓与对照处理土壤差异则主要体现在第二主成分相关指标上：PS土壤中E.foetida处理显著区别于对照土壤和A.morrisi处理；DL土壤中E.foetida和A.morrisi处理的土壤特征差异不明显,但A.morrisi与对照土壤差异较为显著(P<0.001)。

表2 混合污泥土壤中蚯蚓的生物量和数量变化

平均值±标准差,n=5

图1 各处理土壤化学和生物学性质的主成分分析Fig.1 Principal Component analysis of soil chemical and biological properties in treatments

2.2.1 蚯蚓对两种添加污泥土壤化学性质的影响

在混合污泥的旱地土壤中,各处理间土壤的pH和Eh值、有机碳和碱解氮含量、碳氮比差异显著(表3)。与对照土壤相比,E.foetida处理的pH显著降低了0.22个单位和Eh显著增加了13个单位,有机碳含量降低了22.8%；A.morrisi处理土壤的碱解氮含量明显降低了16.5%。与对照土壤相比,两种蚯蚓处理的全氮、速效钾含量有一定程度的降低,全磷和全钾含量有微弱上升,但这些指标处理间差异未达到显著水平(P>0.05)。另外,两种蚯蚓相比较,E.foetida处理的pH和Eh值、有机碳含量和碳氮比均显著低于A.morrisi处理0.17和10个单位、24.9%和2.26个单位(P<0.05)。

在混合污泥的水稻土壤中,各处理间土壤的有机碳、全钾和速效钾含量、碳氮比差异显著(表4)。与对照土壤相比,E.foetida处理的有机碳含量显著提高20.9%,碳氮比提高1.02个单位,全钾含量降低6.11%；A.morrisi处理的速效钾含量显著提高13.2%(P<0.05)。与对照土壤相比,两种蚯蚓处理的全氮和全磷含量有一定程度的提高,可溶性碳、速效磷和碱解氮含量有微弱下降,但这些指标处理间差异未达到显著水平(P>0.05)。另外,两种蚯蚓相比较,E.foetida处理的有机碳含量显著高于A.morrisi处理15.7%,碳氮比高0.84个单位,速效钾含量则显著低于其11.4%(P<0.05)。

2.2.2 蚯蚓对两种添加污泥土壤生物学性状的影响

在混合污泥的旱地土壤中,各处理间土壤的微生物量碳含量、代谢熵、过氧化氢酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶和荧光素二乙酸酯酶活性差异显著(表5)。与对照土壤相比,E.foetida处理的土壤微生物量碳含量显著降低了43.8%,过氧化氢酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别降低了12.4%、48.4%、44.0%和40.7%,荧光素二乙酸酯酶活性增加了57.4%；A.morrisi处理的土壤过氧化氢酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和脲酶活性分别显著降低了12.4%、33.9%和45.5%。与对照土壤相比,两种蚯蚓处理后的土壤微生物熵和转化酶活性有一定程度的降低,但这些指标处理间差异未达到显著水平(P>0.05)。另外,两种蚯蚓相比较,E.foetida处理土壤的代谢熵和荧光素二乙酸酯酶活性显著高于A.morrisi处理(P<0.05)。

在混合污泥的水稻土壤中,各处理之间土壤的呼吸速率、过氧化氢酶、β-葡萄糖苷酶和荧光素二乙酸酯酶活性差异显著(表6)。与对照土壤相比,E.foetida处理的呼吸速率显著降低了33.8%；A.morrisi处理的过氧化氢酶活性显著提高10.8%,但β-葡萄糖苷酶和荧光素二乙酸酯酶活性分别下降了46.7%和34.4%(P<0.05)。与对照土壤相比,两种蚯蚓处理的土壤微生物量碳含量、微生物熵、代谢熵、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性均有一定程度的下降,但这些指标处理间差异未达到显著水平(P>0.05)。另外,两种蚯蚓相比较,E.foetida处理的土壤呼吸速率和过氧化氢酶活性显著低于A.morrisi处理36.5%和5.51%,而β-葡萄糖苷酶活性明显较高(P<0.05)。

3 讨论

3.1 不同土壤类型影响蚯蚓对混合污泥土壤的化学和生物学特征的作用

本研究结果表明土壤类型是影响蚯蚓改变土壤化学和生物学性状的决定性因素之一(图1,P<0.05)。本研究所用旱地土为高有机碳、低粘粒含量土壤，水稻土则为低有机碳、高粘粒含量土壤。两种蚯蚓对混合污泥的旱地土壤化学和生物学特征的影响均明显大于水稻土壤。其中,与对照相比,E.foetida活动后旱地土壤的pH、Eh、有机碳和微生物量碳含量、过氧化氢酶和N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、荧光素二乙酸酯酶活性等7个指标均有显著影响；而在水稻土壤中,其仅对有机碳含量、碳氮比、全钾含量和呼吸速率等4个指标有显著作用。同时,与对照相比,A.morrisi在旱地土壤中活动后,土壤碱解氮含量、过氧化氢酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶活性、荧光素二乙酸酯酶活性均发生显著变化,而水稻土壤中,该蚯蚓活动后土壤中只有速效钾含量、过氧化氢酶活性、β-葡萄糖苷酶和荧光素二乙酸酯酶活性4个指标显著变化。具体分析如下：

本研究结果显示蚯蚓在混合污泥的水稻土中对pH的作用并不明显；而在混合污泥的旱地土壤中E.foetida活动后的pH降低(表3和表4)。与水稻土相比,旱地土壤有机碳含量相对较高(表1),蚯蚓分解有机物质形成较多有机酸可能是造成这一现象的原因之一[27]。另外,目前较少研究显示蚯蚓作用后土壤的氧化还原电位变化情况。本研究结果显示：与对照相比,蚯蚓活动后混合污泥的旱地土的氧化还原电位显著降低,特别是E.foetida处理达到显著水平；而在水稻土壤中这种现象并未发现。由于氧化还原电位与土壤通气性密切相关[28]。本研究中旱地土壤粘粒含量相对较少、土质疏松,土壤通气性较好。由于蚯蚓具有将原本疏松或紧实的土壤,通过自身吞食和挖掘行为将其变为中间状态的能力[29]。因此,原本疏松的、通气性较好的旱地土壤经蚯蚓活动后可能变的相对紧实、通气性降低,从而使其氧化还原电位随之下降。

本研究将E.foetida接种于土壤中发现：在原本高有机碳含量的混合污泥旱地土壤中,该蚯蚓活动显著降低了有机碳含量；而在相对较低有机碳含量的混合污泥水稻土壤中,蚯蚓活动则促进了土壤有机碳含量的升高(表3和表4)。结合前人研究：蚯蚓在普通土壤中活动能够明显提高其有机碳含量[30- 31]; 但是,在蚯蚓接种于有机废弃物后,物料有机碳含量并未升高、反而呈现显著降低的趋势[6, 27, 32- 35]。因此,本研究得出蚯蚓可能也具有一种能力：其在有机碳较低的基质中,能选择性吞食有机物颗粒,提高基质中碳素的储备；但是在丰富有机碳物质中,蚯蚓则与大量微生物联合作用,将有机物快速分解并以CO2形式将其释放[32, 34, 36- 37],从而降低其有机碳含量。已有研究结果显示蚯蚓处理污泥后,污泥的全氮、磷含量明显增加[6, 27, 33, 38- 39]。本研究结果显示两种污泥混合土壤接种蚯蚓后其全氮和全磷含量的变化与对照相比并不显著,两种土壤和污泥本身较低的氮和磷含量可能是造成这种现象的重要原因。较多研究结果显示蚯蚓处理后的污泥全钾含量显著增加[6, 27, 33, 38- 39]。而本研究结果显示蚯蚓处理的混合污泥旱地土壤全钾变化不明显、水稻土全钾含量显著降低。造成这种现象的原因可能是蚯蚓生理代谢对钾素的利用[40],Vig等[34]也曾研究发现E.foetida处理的污泥和牛粪混合物全钾含量显著下降的现象。前人研究结果显示经蚯蚓处理后的污泥或有机物料的碱解氮、速效磷和速效钾含量明显增高[9, 33, 35 ]。而王小利等[38]和刘鸿雁等[39]研究显示蚯蚓处理后污泥的碱解氮、速效磷、速效钾含量呈下降趋势。本研究结果显示两种蚯蚓处理的混合污泥土壤碱解氮含量均呈现下降趋势,特别是旱地土壤的碱解氮降低量达显著水平。由于本研究所用造纸污泥为富含大量有机质、未经腐解的物料,在蚯蚓活动过程中,有机质的好氧分解很可能加大了物料温度升高幅度,促进了其氨氮挥发率和硝化速度,因此混合污泥土壤的碱解氮含量呈现下降趋势[39]。本研究结果显示蚯蚓对两种混合污泥土壤的速效磷含量影响不大,而对速效钾含量的影响主要体现在混合污泥的水稻土壤中：与对照相比,A.morrisi处理后水稻土的速效钾含量显著增加表明了该种蚯蚓活动促进土壤全钾向有效钾的转化能力。Yadav 和 Garg[27]、Vig等[34]和Garg等[35]研究显示E.foetida堆制处理污泥和不同有机废弃物混合物后,物料的碳氮比显著降低。本研究结果显示E.foetida在混合污泥的旱地土壤中显著降低其碳氮比,但是在混合污泥水稻土壤中显著增加碳氮比；而A.morrisi则在两种土壤混合物中均有增加物料碳氮比的趋势。在混合物料中,蚯蚓和微生物协同作用对有机质分解造成的碳富集或损失、氮含量降低或增加,以及蚯蚓作用后物料的熟化度变化都可能是造成这种现象的重要原因[34]。

与对照相比,本研究结果总体显示：蚯蚓处理两种混合污泥土壤后,土壤微生物碳量、呼吸速率、微生物熵和代谢熵呈下降趋势(表5和表6)；特别是E.foetida处理在旱地土和水稻土中显著降低微生物量碳含量和呼吸速率(P<0.05)。这与Gómez-Brandón等[41]和郭瑞华等[9]研究发现E.andrei或E.foetida处理的有机物料和污泥后,物料的微生物量减少、土壤呼吸释放CO2量显著减弱的结果相一致。由于土壤微生物量碳和呼吸速率分别是反映微生物量大小和微生物活性的重要指标。因此,本研究中较低的微生物量碳和呼吸速率可能是蚯蚓在混合污泥土壤中吞食某些有害微生物种群而造成的[9]。

酶是土壤生物化学反应的重要参与者,它不仅能够对土壤微生物活性有较为敏感的反应,而且能够反映土壤碳氮磷等养分的转化和利用状况。已有研究结果显示,蚯蚓在土壤或有机物料中活动后土壤酶活性呈显著增加的趋势[9,42- 44]。而本研究结果显示蚯蚓处理不同类型土壤后,不同种类酶活性变化差异较大。在混合污泥的水稻土中,两种蚯蚓活动均能提高过氧化氢酶活性；而在混合污泥的旱地土中,则呈现相反的趋势(表5和表6)。由于过氧化氢酶对不同农田土壤的有机碳和养分含量变化较为敏感[45],因此本研究中两种土壤有机碳和养分含量差异可能是造成过氧化氢酶活性差异的重要原因。β-葡萄糖苷酶和转化酶分别是降解纤维素和水解蔗糖成为葡萄糖和果糖的重要酶。在混合污泥旱地土壤中,本研究结果显示蚯蚓对这两种酶活性的影响与其对过氧化氢酶活性影响一致。但是,在混合污泥的水稻土壤中,蚯蚓的作用并没有一定的规律,不同蚯蚓取食特性的差异很可能是造成这种现象的原因之一。由于过氧化氢酶、β-葡萄糖苷酶和转化酶与土壤的腐殖质形成、有机质含量紧密相关,因此上述研究结果也进一步说明蚯蚓对不同类型土壤的碳素转化有不同作用。N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶是降解几丁质和肽聚糖、水解氨基葡萄糖的酶类,而脲酶是催化尿素水解的酶,二者均是参与土壤氮循环的重要物质。磷酸酶在土壤有机磷化合物水解中起重要作用,是参与土壤磷素循环的关键酶类。在本研究中,蚯蚓处理旱地土后,显著降低的土壤N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶活性可能与处理中下降的碱解氮和速效磷养分含量有一定的关系；在水稻土壤中也呈现相似的结果,但均未达到显著水平。由于酶活性变化与土壤有效养分特征密切相关[46],旱地土和水稻土中较为相似的氮磷含量可能是造成蚯蚓处理后两种土壤氮磷转化相关的酶类变化趋于一致的原因之一。另外,荧光素二乙酸酯水解酶是通过土壤中蛋白酶、脂肪酶及酯酶等水解产生的荧光素二乙酸活性来评价微生物的总体活性的重要酶类。本研究结果显示两种蚯蚓在不同混合污泥土壤中荧光素二乙酸酯水解酶活性明显不同：在旱地土壤中,蚯蚓活动能显著增加荧光素二乙酸酯酶活性,而在水稻土壤中则呈现相反的结果。两种土壤有机碳和养分含量差异、微生物种群特征差异可能是造成这种现象的重要原因,更多的相关研究需深入进行。

3.2 蚯蚓种间差异是影响蚯蚓对混合污泥土壤化学和生物学特征作用的重要原因

E.foetida是一种人工养殖的表层种蚯蚓,对有机物料的分解能力较强,也具有较高的繁殖率和较短的代际时期,对环境的忍耐力强,适用范围较广,因此其被广泛的应用于污泥、食物、农业废弃物的生物处理[47]。目前,大多数研究结果显示E.foetida在处理纯污泥进程中的积极作用[5-9],但对其他种类蚯蚓的研究则较为少见。本研究首次引入本地种A.morrisi和常规人工养殖蚯蚓E.foetida于混合造纸污泥的土壤中进行研究。由于A.morrisi是一种华南地区本地自然生长的表-内层种蚯蚓,其主要以有机物和土壤为主要食源。因此,当高有机碳含量的造纸污泥混入两种土壤中,A.morrisi与E.foetida的食性不同及在土壤中取食行为的差异成为蚯蚓影响混合污泥土壤化学性质和生物学特征的重要原因。在高有机碳含量的旱地土壤中,和A.morrisi相比,E.foetida处理的土壤pH、Eh、有机碳和碳氮比较低(表3),这种现象一定程度上再次证实了该种蚯蚓较强的有机质吞食和分解能力,较多的有机酸生成、有机碳以CO2释放的形式损失是上述指标值或含量较低的重要原因。另外,在旱地土壤中,E.foetida处理的土壤的微生物代谢熵和荧光素二乙酸酯酶活性较高(表5),一定程度上也显示了该种蚯蚓活动对于该土壤微生物种群,特别是年轻微生物群落活性的提高有一定的积极作用[48]。同样,在水稻土壤中,有机碳含量、碳氮比、速效钾含量、呼吸速率、过氧化氢酶和β-葡萄糖苷酶活性特征变化是造成A.morrisi和E.foetida处理的混合土壤化学和生物学性质差异的重要因素(表4和表6)。E.foetida处理相对较高的有机碳含量、碳氮比、β-葡萄糖苷酶活性和较低的呼吸速率一定程度上凸显了该蚯蚓在低有机碳含量的水稻土中具有较强的储备有机碳能力；而A.morrisi处理土壤具有较高的速效钾含量,这些现象则表明了该蚯蚓在混合污泥水稻土壤中具有一定的钾素养分转化能力。

4 结论

(1)蚯蚓对混合污泥土壤化学和生物学性质影响与土壤类型密切相关。具有高有机碳和低粘粒含量的旱地土壤混合15%的造纸污泥后,蚯蚓活动能够显著降低土壤pH和Eh、加速有机碳分解和减少碳含量、减小微生物量、以及降低与土壤有机质分解和养分转化相关的酶活性,提高微生物总体活性。而具有低有机碳和高粘粒含量水稻土壤混合15%造纸污泥后,蚯蚓活动则主要作用于土壤有机碳的储存、对养分和微生物活性的影响相对较小。

(2)本研究使用的造纸污泥为高有机碳和低养分含量的有机物料,在土壤中添加后蚯蚓对混合污泥土壤的作用显示：在混合污泥的高有机碳和低粘粒含量旱地土壤中,E.foetida对土壤有机碳分解能力和微生物活性提高的能力显著高于A.morrisi。在混合污泥的低有机碳和高粘粒含量的水稻土壤中,E.foetida对土壤有机碳的储存能力则显著高于A.morrisi,而A.morrisi对钾素的转换能力相对较强。

综上所述,蚯蚓能显著影响混合15%造纸污泥土壤化学和生物学特征。由于造纸污泥具有高有机碳和低养分含量特征,该污泥农用仍需按一定比例配合施用高养分有机物料。进一步根据土壤类型、选择适宜蚯蚓品种,进行长期小区和大田试验将更具参考价值。

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Effects ofEiseniafoetidaandAmynthasmorrision the chemical and biological properties of soil amended with the paper mill sludge

CHEN Xufei1, ZHANG Chi1,*, DAI Jun1,GUO Yanbiao1,LIU Ting1, 2

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,SouthChinaAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofArableLandConservation(SouthChina)ofMinistryofAgriculture,Guangzhou510642,China2GuangdongInstituteofEco-environmentandSoilSciences,Guangzhou510650,China

Two earthworm species (EiseniafoetidaandAmynthasmorrisi) were inoculated in dryland and paddy soil mixed with 15% paper mill sludge for 30 days. Effects of earthworm on soil chemical and biological properties were evaluated, which included pH and Eh value, contents of organic carbon and dissolved organic carbon, contents of total nitrogen, phosphorus and potassium and their available contents, the ratio of C and N, contents of microbial biomass carbon, soil respiration rate, metabolic quotient, microbial quotient, and activities of catalase, urease, invertase, acid and alkaline phosphatase, β-glucosidase, N-acetyl-glucosaminidase and fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis. PCA results showed that: effects of earthworms on the chemical and biological properties of soil mixed with paper mill sludge depend on soil types and earthworm special species (P<0.05). ANOVA results showed that: (1) in dry land treatments, compared with the control, 0.22 and 13 units of soil pH and Eh values and 22.8% contents of organic carbon were reduced byE.foetidasignificantly, respectively (P<0.05). In the meantime,E.foetidareduced contents of microbial biomass carbon, activities of catalase, N-acetyl-glucosaminidase, urease and acid phosphatase by 43.8%, 12.4%, 48.4%, 44.0% and 40.7%, respectively, but increased FDA hydrolysis by 57.4% as well (P<0.05). Compared with the control, 16.5% reduction of available N contents and 12.4%, 33.9% and 45.5% reduction of activities of catalase, N-acetyl-glucosaminidase and urease were shown byA.morrisi(P<0.05). In addition, compared toA.morrisi, reductions of 0.17 and 10 units, 24.9% and 2.26 ratio of soil pH and Eh values, organic carbon content and the ratio of carbon to nitrogen were observed significantly byE.foetida, respectively (P<0.05). Higher of soil metabolic quotient and FDA hydrolysis were shown inE.foetidathanA.morrisitreatments. (2) in paddy soil, compared with the control, 20.9% and 1.02 units increase of soil organic carbon and C∶N ratio were shown inE.foetidatreatments significantly, but 6.11% and 33.8% decreases of total K contents and soil respiration rate were observed as well(P<0.05). ForA.morrisitreatments, 13.2% and 10.8% increases of soil available K contents and catalase activities was observed significantly (P<0.05), but 46.7% and 34.4% decreases of β-glucosidase activities and FDA hydrolysis were observed as well. Moreover, in paddy soil treatments, 15.7% and 0.84 units increase of organic carbon contents and C∶N ratio were shown inE.foetidathanA.morrisitreatments, but 11.4%, 36.5% and 5.51% decrease of total K contents, respiration rate and catalase activities were observed as well (P<0.05). In summary, earthworm had significant effects on the chemical and biological properties in soil amended with the paper mill sludge. In dry land soil with higher contents of organic matter and lower contents of clay, earthworm accelerated organic matter decomposition, released organic carbon, reduced microbial biomass and the related enzyme activities in organic matter decomposition and nutrient transformation, but increased the potential overall microbial activity. In paddy soil with lower contents of organic matter and higher contents of clay, earthworm contributed to soil organic carbon storage, but had less effect on soil nutrient contents and microbial characteristics. To compare withA.morrisi,E.foetidahad stronger abilities on accelerating soil organic matter decomposition, releasing organic carbon and enhancing microbial activities in dry land soil, but increasing organic carbon storage in paddy soil.A.morrisihad stronger ability on potassium cycling thanE.foetidain paddy soil. The paper mill sludge was rich in organic matter and poor in nutrient contents in our study. According to proportion, other organic matters rich in nutrient contents should be chose and used together with sludge in the further agricultural application. It is recommended that more studies should be performed in plot and field experiment according to soil types and earthworm species as well.

earthworm; the paper mill sludge; soil; chemical and biological properties

国家自然科学基金青年科学基金项目(41201305); 广东省自然科学基金博士启动项目(S2012040007806);中国博士后科学基金资助项目(2012M511819);广东省教育部产学研结合项目(2011A09020003)

2013- 06- 09;

2013- 09- 26

10.5846/stxb201306091524

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhangchi121@163.com

陈旭飞,张池,戴军,郭彦彪,刘婷.赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响.生态学报,2014,34(5):1114- 1125.

Chen X F, Zhang C, Dai J,Guo Y B,Liu T.Effects ofEiseniafoetidaandAmynthasmorrision the chemical and biological properties of soil amended with the paper mill sludge.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1114- 1125.